无线充电系统磁耦合器及其电磁边缘效应的研究

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由于无线电能传输(Wireless Power Transfer,WPT)系统中没有传输线缆的限制,系统的灵活性和安全性有较大提升,有较好的应用推广前景。目前无线电能传输系统效率较低,制约了无线电能传输的大范围应用。磁耦合器是无线电能传输系统中的核心部件,其传输效率的问题制约了无线电能传输系统效率的进一步提高。由于磁耦合器中的线圈结构、磁屏蔽层结构以及磁耦合器边缘效应等对磁耦合器的传输效率有重要的影响,因此本研究基于磁耦合器,提出了一种新型磁屏蔽层结构实现对边缘效应的抑制,提升磁耦合器传输效率。本文具体工作如下:首先,对电动叉车用电磁感应耦合方式的无线电能传输系统中的磁耦合器进行了建模和结构优化。对磁耦合器中复合磁屏蔽层采用的结构和材料进行分析,并分别建立了磁耦合器等效磁路模型和等效电路模型。通过分析和简化等效电路模型,得到磁耦合器接收侧的复合磁屏蔽层中各层的几何尺寸与磁耦合器传输效率之间的关系;在此基础上,结合磁耦合器传输效率和复合磁屏蔽层制作成本分别建立目标函数,通过带精英策略的非支配排序的遗传算法得到复合磁屏蔽层几何尺寸的Pareto最优解,使其兼顾最大磁耦合器传输效率和最小制作成本;其次,对磁耦合器复合磁屏蔽层和边缘效应环状层进行仿真分析。结合JMAG有限元仿真软件,对所得复合磁屏蔽层几何尺寸进行仿真,验证算法所得结果的正确性;在此基础上,分析了磁屏蔽层边缘效应产生原因,并提出一种边缘效应环状层结构对边缘效应进行抑制。通过JMAG有限元仿真,对边缘效应环状层的几何尺寸进行选取,并对偏移能力进行验证;最后,制作了磁耦合器及边缘效应环状层,搭建实验平台进行实验。通过仿真和实验证明了所提结构的正确性和有效性,边缘效应得以抑制,磁耦合器传输效率提升。研究具有一定的现实意义。
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